Wärmenetzsimulation: dynamisch und thermohydraulisch
Jahressimulation von Druck, Massenstrom und Temperatur
Eine Wärmenetzsimulation beantwortet Fragen, die eine Auslegung im Spitzenlastfall offenlässt: Wie warm ist das Wasser im Juli am letzten Hausanschluss? Wie hoch sind Wärmeverluste und Pumpenstrom über das Jahr? Was passiert, wenn ein zweiter Erzeuger einspeist? Die dynamische thermohydraulische Jahressimulation rechnet dazu Drücke, Massenströme und Temperaturen gekoppelt in stündlicher Auflösung (8760 Stunden) – einschließlich Regelung und Wärmeaustausch mit dem Erdreich.
Diese Seite beschreibt, wofür die Simulation in der Planung gebraucht wird und wie sie in VICUS Districts, der Software für die Wärmenetzplanung, abläuft. Die Methodik selbst – Gleichungen, Rohrmodelle, Numerik – erläutert der Wissensartikel Fernwärme-Simulation: thermohydraulische Netzberechnung. Der Rechenkern, der VICUS Solver, basiert auf über 20 Jahren Forschung an der TU Dresden.
Wofür man eine thermohydraulische Simulation braucht
Typische Planungsfragen, die sich nur mit einer zeitlich aufgelösten, gekoppelten Rechnung belastbar beantworten lassen.
Temperaturen am Netzende
Welche Vorlauftemperatur kommt im Sommer bei geringer Abnahme noch am letzten Abnehmer an? Bei langen Stichleitungen und Teillast sinkt sie durch Wärmeverluste und lange Verweilzeiten deutlich – ein Effekt, den nur eine zeitlich aufgelöste Rechnung zeigt.
Teillast und Sommerbetrieb
Netze werden auf die Spitzenlast dimensioniert, laufen aber die meisten Stunden des Jahres in Teillast. Massenströme, Fließgeschwindigkeiten und relative Wärmeverluste verhalten sich dann grundlegend anders als im Auslegungsfall.
Rücklauftemperaturen
Die Rücklauftemperatur wird an jeder Übergabestation und in jedem Rohrsegment berechnet. So lässt sich bewerten, wie Rücklaufbegrenzungen oder schlecht auskühlende Abnehmer die Effizienz von Wärmepumpen, Solarthermie oder Abwärmenutzung beeinflussen.
Pumpenregelung
Differenzdruck-, Spreizungs- oder Schlechtpunktregelung wirken über das ganze Jahr. Die Simulation zeigt den Pumpenstrombedarf als Jahressumme statt als Momentaufnahme im Auslegungspunkt.
Speicher und mehrere Erzeuger
Mit mehreren Einspeisepunkten ändern sich Fließrichtungen und Mischtemperaturen im Netz. Pufferspeicher in den Übergabestationen werden zeitlich bilanziert; detailliertere Speichermodelle lassen sich per FMI 2.0 (FMU) koppeln.
Kalte Netze mit Erdreichmodell
In kalter Nahwärme sind ungedämmte Leitungen und das umgebende Erdreich Teil des Energiesystems. Ein Finite-Volumen-Erdreichmodell bildet Wärmegewinne, Auskühlung und das Langzeitverhalten des Bodens über die Jahre ab.
Wann eine stationäre Rechnung reicht
Stationär ausreichend
- Rohrdimensionierung im Auslegungsfall mit Gleichzeitigkeit
- Druckverlust, Schlechtpunkt und Pumpenauslegung
- Strahlennetze mit einem Erzeuger und klassischen Temperaturniveaus
- Variantenvergleich von Trassen in der Vorplanung
Dynamisch erforderlich
- Mehrere Einspeiser, Maschen, wechselnde Fließrichtungen
- Niedrige Netztemperaturen, Temperaturabsenkung im Bestand
- Sommer-Teillast und Versorgungstemperatur am Netzende
- Speicher, Regelstrategien, Erdreichkopplung (kalte Nahwärme)
- Jahreskennwerte: Wärmeverluste, Pumpenenergie, Erzeugeranteile
In der Praxis ergänzen sich beide: In VICUS Districts wird das Netz zunächst stationär für ausgewählte Betriebspunkte dimensioniert (maximale Heizleistung, Teillast, bestimmte Jahresstunden) und anschließend mit demselben Modell dynamisch simuliert. Wie Betriebspunkte und Fahrweisen zusammenhängen, beschreibt der Artikel zu den Netzfahrweisen.
Ablauf der Wärmenetzsimulation in VICUS Districts
Netz erfassen
Trassen aus GIS-Daten (Shape, GeoJSON, GeoPackage) importieren oder auf OpenStreetMap- bzw. DXF-/PDF-Hintergrund zeichnen. Geodätische Höhen setzt das integrierte Geländemodell.
Abnehmer und Erzeuger parametrisieren
Lastprofile für Heizwärme und Trinkwarmwasser aus Standardprofilen oder als Import (CSV, Excel). Erzeuger und Übergabestationen über einen modularen Komponentenkatalog aufbauen.
Stationär vordimensionieren
Rohrdimensionierung unter Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit, Druckverlust inkl. Formteilen und Übergabestationen, Schlechtpunkt und Pumpenauslegung für ausgewählte Betriebspunkte.
Dynamisch simulieren
Thermohydraulische Simulation über eine Woche oder ein ganzes Jahr mit Regelung, Erdreichkopplung und wahlweise dynamischem (segmentiertem) oder einfachem Rohrmodell.
Ergebnisse der Simulation
- Vor- und Rücklauftemperaturen je Knoten, Rohrsegment und Übergabestation im Zeitverlauf
- Massenströme, Fließgeschwindigkeiten und Fließrichtungen – auch bei wechselnder Einspeisung
- Druckverlauf im Netz, Schlechtpunkt und Streckenprofile zwischen Erzeuger und Abnehmer
- Wärmeverluste des Netzes als Stundenwerte und Jahressumme
- Lastspitzen, Wärmemengen je Erzeuger und Pumpenenergie
- Farbcodierte Netzpläne (PDF, PNG), Massenauszüge sowie GIS-Export der Ergebnisse
Wie sich der Druckverlauf im Netz und die Netzregelung gegenseitig bedingen, ist in der Wissensbasis ausführlich beschrieben. Wie der Solver Hydraulik und Wärmetransport numerisch koppelt, zeigt der Artikel VICUS Solver: der Rechenkern für die Wärmenetzsimulation.
Mehr aus unserer Wissensbasis
Häufige Fragen
Das eigene Netz simulieren
In einer persönlichen Demo zeigen wir die Jahressimulation an einem Beispielnetz – oder Sie testen VICUS Districts 30 Tage kostenlos.